Физики квантово запутали фотоны, одновременно не существующие

27 Мая 2013 в 14:00, Илья Хель 6 049 просмотров 8

Фотоны

Похоже, они издеваются над нами. Физикам давно было известно, что квантовая механика позволяет создавать тонкую связь между двумя квантовыми частицами — запутанность. Это ситуация, в которой одна частица может мгновенно определять состояние другой — где бы та ни находилась. Теперь эксперименты показали, что возможно запутать два фотона, которые даже не существуют одновременно.

Парадоксы квантовой физики, не дающие физикам спать, тем не менее дают нам и практические результаты. Кто знает, возможно, квантовая запутанность однажды ляжет в основу элементарной телепортации?

«Вы знаете, это клево», — говорит Джереми О’Брайен, экспериментатор Университета Бристоля в Великобритании, не имеющий отношения к работе. Такое состояние запутанности, разделенное временем, предсказывается в рамках стандартной квантовой теории, однако «оно широко не распространялось, и я даже не знаю, было ли сформулировано четко до этого момента».

Запутанность это парадокс, который полностью спрятан в неопределенностях квантовой механики. Представьте: у вас есть квантовая частица света, или фотон. Ее можно расположить таким образом, что она будет вертеться вертикально или горизонтально. Квантовая механика любит неопределенности, и благодаря ей фотон может вертеться одновременно и по вертикали, и по горизонтали. Если потом вы измерите состояние фотона, вы обнаружите, что он вертится либо горизонтально, либо вертикально, поскольку двойственное состояние схлопнется в одно (коллапс волновой функции): только в одно. Только если измерите, конечно.

Запутанность появляется, когда вы берете два фотона. Каждый из них можно поставить в состояние неопределенной вертикальности или горизонтальности. Но поскольку фотоны запутываются, их состояние будет идентичным, даже если вы не измерите его. К примеру, вы измеряете первый фотон и обнаруживаете, что он поляризован горизонтально. В тот же момент вы понимаете, что второй фотон схлопывается и вертится в вертикальном положении — вне зависимости от того, как далеко он находится. И поскольку этот распад происходит моментально, сам Альберт Эйнштейн окрестил запутанность «жутким действием на расстоянии». Все это не противоречит общей теории относительности: вы не можете контролировать результаты измерения первого фотона, поэтому квантовая связь не может передавать сообщение, которое движется быстрее света. Впрочем, возможно ли движение быстрее света, мы уже выясняли.

Запутанные фотоны

На рисунке изображено следующее: запутывание с заменой (наверху), где состояние (синий цвет) передается фотонам 1 и 4 с произведением измерений на фотонах 2 и 3. В новом эксперименте (внизу) выяснилось, что схема работает, даже если фотон 1 уничтожается до того, как создается фотон 4.

Илий Мегидиш, Хагаи Айзенберг и коллеги из Еврейского университета Иерусалима запутали два фотона, которые не существовали в одно и то же время. Они начали со схемы, известной как запутывание с заменой. Для начала исследователи облучали лазером специальный кристалл несколько раз, чтобы создать две пары фотонов, 1-2 и 3-4. В начале фотоны 1 и 4 не были запутаны. Но они будут таковыми, если ученые произведут особый трюк с 2 и 3.

Суть в том, что измерение «проектирует» частицу в определенное положение — точно так же, как измерение фотона заставляет его коллапсировать в вертикальное или горизонтальное положение. Поэтому, даже если фотоны 2 и 3 начинают, не будучи запутанными, физики могут проделать «проектирующее измерение», которое установит запутанную связь между двумя разными парами. Это измерение запутает фотоны, даже путем поглощения и уничтожения их. Если ученые измерят только события, в которых запутанности фотонов 2 и 3 приходит конец, измерение также запутает фотоны 1 и 4. Эффект напоминает работу четырех цепных шестеренок: две внутренних задают связь внешним двум.

В последнее время физики работали в рамках обычного времени. К примеру, в прошлом году было показано, что запутывание с заменой будет работать даже после того, как состояния фотонов 1 и 4 будут измерены. Теперь же Айзенберг и его коллеги показали, что фотоны 1 и 4 могут вообще не существовать одновременно, о чем и поспешили сообщить в Physical Review Letters.

Чтобы проделать это, они сначала запутали пару 1 и 2, а после измерили поляризацию 1. Сразу после этого была создана запутанная пара 3 и 4, и выполнено проектирующее измерение. Наконец, ученые измерили поляризацию фотона 4. И хотя фотоны 1 и 4 никогда не существовали одновременно, измерения показали, что их поляризации в конечном счете запутались. Айзенберг подчеркнул, что хотя в теории относительности время измеряется по-разному наблюдателями, которые движутся с разной скоростью, ни один наблюдатель никогда не видел два фотона сосуществующими.

Эксперимент показал, что думать о природе запутанности как о физически осязаемой связи, совершенно неправильно.

«Там нет момента во времени, когда два фотона существуют одновременно», — говорит физик. — «А значит вы не можете сказать, что система запутана в этот или в тот момент».

Тем не менее, явление существует. Антон Цайлингер, физик из Венского университета, согласился с тем, что эксперимент показывает, насколько скользкой остается квантовая механика.

«Она неуловима, потому что демонстрирует в большей или меньшей мере, что квантовые события находятся за пределами наших повседневных представлений о пространстве и времени».

Чем же хорош этот эксперимент? Физики надеются создать квантовые сети, в которых протоколы с использованием запутывания с заменой помогут удаленным пользователям обрести невзламываемую шифрованную связь. Новые выводы позволяют предположить, что при совместном использовании запутанных пар фотонов в таких сетях пользователю не придется ждать, чтобы увидеть, что происходит с фотонами, которые «остались позади».

Кроме того, такие эксперименты открывают умы людей. Вдруг кому-нибудь придет в голову идея, как ее использовать.

Физики квантово запутали фотоны, одновременно не существующие

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

8 комментариев

  1. SamSung

    В школе и институте физика была на ровне с математикой - говно, теперь же сам ищу и читаю всяческие статьи, теории, исследования. Офигенный предмет, мать его!

  2. Андр

    Чет я сам запутался

  3. 1

    "Илий Мегидиш, Хагаи Айзенберг и коллеги из Еврейского университета Иерусалима запутали два фотона" - доставило.

  4. Владимир

    Как предсказывалось - в квантовой физике понятие времени абсолютно другое чес в Ньютоновском мире.

  5. T_T

    Я одновременно написал этот комментарий и не написал его.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.